JP3732448B2 - スポット接合ツール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね合わされた複数の金属板をスポット的に接合していくスポット接合において使用されるスポット接合ツールに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、アルミニウム合金等の金属板をスポット的に接合する方法として、抵抗スポット溶接による接合、リベットやネジによる機械的接合が知られている。さらに、最近では、例えば特開2001−314982号公報に記載されるように、複数の重ね合わされた金属板からなる被接合材に、軸線に沿って突出する中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され、前記中央ピンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピンを進入し、主としてショルダー部と被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化させ、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツールを用いて被接合材同士を接合する摩擦攪拌スポット接合方法が提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したアルミニウム合金等の金属板をスポット的に接合する方法には、次のような欠点がある。
【0004】
前記抵抗スポット溶接による接合では大容量の電力を必要とし溶接電極の消耗が激しい等の問題があり、リベットやネジによる機械的接合では接合部材を多数必要とする問題がある。
【0005】
また、従来の摩擦攪拌スポット接合方法では、スポット接合ツールは、本体胴部の下部外周から小径の中央ピンに至るショルダー部の形状として、平面タイプのものや、逆テーパー状のものを備えるものがある。いずれの接合ツールの場合も、塑性流動化した被接合材を攪拌する機能を有する中央ピンは、被接合材を貫通しないように被接合材の重ね合わせ厚さの和よりやや短いが、上側の被接合材の上面から下側の被接合材の下面付近まで延びる長さであり、かつ直径は一定である。また、塑性流動化を生じさせる熱源となるショルダー部は、被接合材同士が接する接合部から中央ピンが進入する側の被接合材の板厚を隔てた部分で摩擦熱を発生させており、この板厚の隔たりが熱の拡散を生じ加熱効率を減じる一因となっている。そのため、必要な加熱量を確保するには摩擦面積の増加を目的に熱源となるショルダー部の外径を大きくする必要がある。
【0006】
すなわち、この種のスポット接合継手では、被接合材同士のナゲットと呼ばれる接合部の面積が大きいほど接合強度は増加する傾向にある。従って、接合強度の向上を行うには接合部面積の増大を目的に、ショルダー部の外径を大きくする必要があるが、被接合材同士の接合部と非接合部の境界となるナゲット端と呼ばれる接合部外縁部は被接合材同士が股さき状の形状となるため、外部から荷重が負荷された場合には、この部分で応力集中が生じやすく、亀裂発生の起点となるおそれがある。
【0007】
また、前記ショルダー部の外径を大きくすると、密なスポット間隔が得られず、総合的な継手強度の向上が望めなくなるとともに、接合時の接合ツールに負荷する押圧力も増加するおそれがある。それに加えて、ショルダー部での被接合材表面は摩擦のために削られ、この部分での被接合材の肉厚は母材厚さよりも薄くなる傾向にある。
【0008】
このようなスポット接合継手に過度な外力が負荷された場合には、前述したようにナゲット端が亀裂の起点となり、その上側の薄肉部に向かって亀裂が進行し、破壊を生じる。また、薄肉部が過度に薄い場合には、この部分から亀裂を生じて破壊する場合もある。
【0009】
さらに、これらの点について、図4(a)(b)に基づいて詳述する。このスポット接合ツール101A,101Bは、図示しない駆動手段により、上下方向(図(a)(b)の矢印T方向)に移動自在であり、かつ回転自在(図4(a)(b)の矢印R方向)に構成されている。
【0010】
このスポット接合ツール101A,101Bを用いてスポット接合する場合には、例えば重ね合わせた2枚の被接合材2,3の所定の接合位置(接合点)に、接合ツール101A,101Bを回転させながら下降させる(ここで、被接合材2,3はアルミ板でも銅板でも鉄板でもよい)。前記接合ツール101A,101Bの中央ピン12’,12”が下降すると、先ず、上側に載置された被接合材2の上面に中央ピン12’,12”が当接し、その後ショルダー部13’、13”が当接する。ショルダー部13’,13”と被接合材2との接触面で摩擦熱が生じ、接合部4’,4”近傍に熱を供給することにより、ショルダー部13’、13”及び接合部4’,4”近傍の被接合材2,3が塑性流動化するので、中央ピン12’,12”でこれを攪拌することにより接合部4’,4”を形成する。その後、接合ツール101A,101Bを抜き、接合部4’,4”が冷却硬化すれば接合は完了する。
【0011】
このような従来のスポット接合ツール101A,101Bはいずれも塑性流動化した被接合材2,3を攪拌する機能を有する中央ピン12’,12”は、下側の被接合材3を貫通しないように被接合材2,3の重ね合わせ厚さよりやや短いが、上側の被接合材2の上面から下側の被接合材3の下面付近まで延びる長さであり、かつそれらの直径d,d’は一定である。一方、塑性流動化を生じさせる熱源となるショルダー部13’,13”は被接合材2,3同士が接する接合部4’,4”から接合ツール101A,101Bが進入する上側の被接合材2の板厚L0を隔てた部分で摩擦熱を発生させているが、中央ピン12’、12”が前述したような長さを有することから、前記摩擦熱の発生部分と接合部4’,4”とが被接合材2の板厚L0に相当する距離だけ離れることになり、熱の拡散を生じて加熱効率を減じる一因となっている。そこで、必要な加熱量を確保するには、前述したように、摩擦面積の増加を目的にショルダー部13’、13”の外径D,D’を大きくする必要がある。
【0012】
しかしながら、前記ショルダー部13’,13”は、それぞれ、図4(a)に示す略水平面形状または図4(b)に示す逆テーパー面形状であり、スポット接合ツール101A,101Bを押し込んだ際に、流動化状態の被接合材は中央ピン12’,12”およびショルダー部13’,13”により押し退けられる。そして、スポット接合ツール101A,101Bを引き抜いた後、流動化状態の被接合材が硬化すると、上部に載置された被接合材2の接合部上面の形状は、窪みを生じており、肉厚が接合部4’,4”の外縁部近傍で一部薄く形成された断面となっている。このように、接合部4’,4”の大きさを示す直径C2,C2’の先端部(ナゲット端)での上部被接合材2の板厚L2,L2’は元の板厚L0より薄くなっているので、被接合材2,3同士を引き離す外力が加えられると、接合部4’,4”の外縁(ナゲット端)から当該薄肉部に向け又は該薄肉部から亀裂K、K’が生じ、接合部4’,4”が孤立し被接合材2,3同士を接合する役目を果さなくなり、結果として接合力の低下につながる。
【0013】
本発明の目的は、複数の金属製の被接合材を摩擦攪拌スポット接合する際に、ショルダー部の直径の増大、これに伴う押圧力の増大を押さえるとともに、接合継手強度の低下を防止するスポット接合ツールを提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項1に係る発明は、軸線に沿って突出する中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され前記中央ピンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピンを進入し、主として前記ショルダー部と被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化し、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツールであって、前記中央ピンは、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものであり、前記ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状であることを特徴としている。ここで、「前記中央ピンは、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有する」とは、被接合材が2枚の場合には、中央ピンが上側の被接合材のみを貫通するので、上側の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有するという意味であり、被接合材が3枚の場合には、3枚のうち上側に位置する2枚のみを中央ピンが貫通するので、上側の2枚の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有するという意味である。つまり、被接合材の枚数にかかわらず、最も下側に位置する被接合材を除いた残りの被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するという意味である。また、「若干長い長さ」とは、被接合材が2枚の場合には中央ピンが下側の被接合材に、被接合材が3枚の場合には最も下側(上から3枚目)の被接合部材に、塑性流動化した被接合材を攪拌するのを損なわない程度に進入できる長さがあればよいという意味である。
【0015】
上記の構成を有する請求項1に係る発明によれば、前記中央ピンが、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものに過ぎないので、摩擦熱を発生するショルダー部を、従来の被接合材上面よりも、被接合材同士が接合される接合部に接近させることができる。そのために、加熱効率が向上し、塑性流動領域を増やして前記接合部の外縁直径(ナゲット径)の増大が図れる。このことから、継手強度の増加に寄与する。そして、従来と同様な継手強度を確保するものとすると、ショルダー部の面積と接合ツールに負荷される押圧力を小さくすることができる。
【0016】
また、ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状としているので、ショルダー部によって案内されて塑性流動材料が板厚方向へ流れ込みやすくなり、この点からも継手強度の増加を図りやすくなる。
【0017】
請求項2に係る発明は、前記ショルダー部に塑性流動化した被接合材を収納するポケット部を形成し、前記ポケット部は、前記接合部の外縁直径(ナゲット径)よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上の容積を有し、前記接合部外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が前記中央ピン進入側の被接合材の板厚以上であることが望ましい。
【0018】
上記の構成を有する請求項2に係る発明によれば、ポケット部を利用して、塑性流動化して押し退けられる被接合材を収納し貯留することが可能となり、ショルダー部での被接合材表面の摩擦による肉厚の減少が防止される。よって、硬化後の被接合材の肉厚の減少を防止すると共に、従来の接合継手に比べ強度が向上する。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスポット接合ツールの実施の形態について、図1〜図3に基づいて説明する。
【0020】
図1及び図2は本発明に係るスポット接合ツールとこれが適用されるスポット接合部の断面図である。本発明にいうスポット接合とは、まず、金属製の板材である被接合材2,3を重ね合わせて、例えば台座5に載置し、スポット接合ツール1を押圧しつつ高速回転させながら被接合材2,3の接合点に適用してスポット接合するものである。
【0021】
このスポット接合に用いるスポット接合ツール1は、例えば図1(a)に示すように、軸線に沿って突出する中央ピン12と、この中央ピン12の上側に連接され前記中央ピン12より大径の本体胴部11と、この本体胴部11の下部外周から中央ピン12に至るショルダー部13を有する。そして、主として前記ショルダー部13と被接合材2,3との摩擦により接合部4に熱(摩擦熱)を供給する。この熱により接合部4近傍の被接合材2,3を塑性流動化し、これを中央ピン12で攪拌混合し、その後に、前記接合ツール1を引き抜いて、硬化させて接合する。このように、スポット接合ツール1を引き抜いて硬化させた後に接合部4が形成される。被接合材2と被接合材3とは、所定ピッチで形成された接合部4により断続的に接合された構造となる。
【0022】
前記中央ピン12は、前記中央ピン12が進入する側の被接合材2の厚さと略同等な長さを有する。なお、本例では、被接合材2,3が2枚であるので、前記中央ピン12が貫通して進入する単数又は複数の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有するようにして、ショルダー部13を接合部4に接近させるために、前記中央ピン12が進入する側の被接合材2の厚さと略同等な長さを有するようにしているのである。
【0023】
前記摩擦熱の発生源となるショルダー部13は、中央ピン12の上端位置から中央ピン12の上方に向かって直径が徐々に増加するように形成されている。このようなショルダー部13を形成することにより被接合材2,3同士が接合される接合部4に前記ショルダー部13を接近させることができ、加熱効率が向上する。そのために、従来と同様な継手強度を確保する際には、ショルダー部13の面積(外縁直径)と接合ツール1に負荷される押圧力を小さくすることが可能となる。
【0024】
前記スポット接合ツール1を被接合材2,3に押し込む量は、被接合部材2,3同士の重ね合わせ部より下方で、下側にセットされた被接合材3を突き抜けない位置までである。よって、下側の被接合材3の表面(底面)3aは綺麗な面を保ち、製品の外表面として利用可能な面となる。
【0025】
なお、摩擦面積を増加させる必要がある場合には、図1(b)に示す接合ツール1Aのように、前記ショルダー部13Aを本体胴部11Aに接するところで水平(水平部分13a)に延長すればよい。また、前記ショルダー部13,13Aは、図1(a)や図1(b)に示すように、上方に向かって直線的に直径が増大する円錐形状とする必要はなく、図1(c)(d)に示す接合ツール1B,1Dのように、ショルダー部13B,13Dを、上方に向かって曲線的に直径が徐々に増大する断面曲線形状とすることもできる。
【0026】
また、図2に示す接合ツール1Cのように、ショルダー部13Cに、塑性流動化した被接合材2,3を収納するポケット部10を形成することができる。このポケット部10の直径Bは、接合部4の外縁直径(ナゲット径)C1よりも大きく、かつ接合部4外縁からポケット部10で形成される中央ピン進入側の被接合材2上面に至る距離(最短距離)C3が被接合材2(母材)の板厚L0以上となるように設定されている。このようにすれば、例えば図1(b)に示すように本体胴部11に連接するところで水平方向に延長し、摩擦面積を増加させるショルダー部とする必要がある場合において、前記水平方向に拡がるショルダー部13Cでの被接合材表面での摩擦による肉厚減少部分に、塑性流動化した被接合材が流れ込みやすくなることから、特に板厚に寄与し、肉厚の減少を防止することができ、継手強度の向上に効果がある。
【0027】
前記ショルダー部13Cに形成するポケット部10の容積は、中央ピン12が被接合材2に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上であるように形成する必要がある。
【0028】
このようにポケット部10を設ければ、ショルダー部13Cでの被接合材2表面での摩擦による肉厚減少部分に対し、塑性流動化して押し退けられる被接合材を確実に収納し貯留することができることから、硬化後の被接合材の肉厚減少を防止することができる。
【0029】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、中央ピンを、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものとしたので、ショルダー部を、被接合材同士が接合される接合部に接近させ、加熱効率を向上させて塑性流動領域を増やすことができる。これにより、前記接合部の外縁直径(ナゲット径)の増大を図り、継手強度の増加に寄与できる。また、ショルダー部を、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状としているので、塑性流動材料がショルダー部によって案内されて板厚方向へ流れ込みやすくなり、この点からも継手強度の増加を図る上で有利となる。
【0030】
請求項2に係る発明によれば、前記ショルダー部に、ポケット部(接合部の外縁直径(ナゲット径)よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上の容積を有する)を形成し、接合部外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が前記中央ピン進入側の被接合材の板厚以上となるようにしているので、塑性流動化して押し退けられる被接合材を収納し貯留することが可能となり、ショルダー部での被接合材表面の摩擦による肉厚減少(硬化後の被接合材肉厚の減少)を防止し、従来の接合継手に比べ強度が向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスポット接合ツールが適用されるスポット接合ツールと接合部の断面図であり、(a)はショルダー部が上方に向かって直線的に径が増大する円錐形状のスポット接合ツールの例を示し、(b)はショルダー部の外縁部に水平部を設けたスポット接合ツールの例を示し、(c)(d)はショルダー部が上方に向かって曲線状に径が増大するスポット接合ツールの例を示す。
【図2】本発明に係るスポット接合ツールが適用され、ショルダー部の一部にポケット部を形成したスポット接合ツールと接合部の断面図である。
【図3】従来のスポット接合ツールと接合部の断面図であり、(a)はショルダー部が平坦なスポット接合ツールの例を示し、(b)はショルダー部が逆テーパー状のスポット接合ツールの例を示す。
【符号の説明】
1,1A〜1D スポット接合ツール
2 被接合材
3 被接合材
4 接合部
10 ポケット部
11 本体胴部
12 中央ピン
13,13A〜13D ショルダー部
B ポケット部の外径
C1,C2 接合部の直径(ナゲット径)
C3 接合部外縁(ナゲット端)からポケット部で形成される中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離
D ショルダー部の直径(外径)
d 中央ピンの直径
Claims (2)
- 軸線に沿って突出する中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され前記中央ピンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピンを進入し、主として前記ショルダー部と被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化し、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツールであって、
前記中央ピンは、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものであり、
前記ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状であることを特徴とするスポット接合ツール。 - 前記ショルダー部に塑性流動化した被接合材を収納するポケット部を形成し、
前記ポケット部は、前記接合部の外縁直径(ナゲット径)よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上の容積を有し、
前記接合部外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が前記中央ピン進入側の被接合材の板厚以上であることを特徴とする請求項1に記載のスポット接合ツール。
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